用于质子交换膜燃料电池的组合电极组件的制造技术

专利名称：用于质子交换膜燃料电池的组合电极组件的制造技术
技术领域：
本发明涉及产生电能从而为车辆或其它机械装置供电的燃料电
池。特别是，本发明涉及一种组合电极组件(UEA)的新型制造方法 以改进燃料电池中的组合电极组件的耐受性和性能。
背景技术：
用于燃料电池的膜电极组件(MEA)包括离聚物膜，所述离聚物膜 的相对侧上涂覆有催化剂层。气体扩散介质(GDM)层被附接或接靠在 相应的催化剂层上。在燃料电池中，具有流场通道的双极板接靠在每 个气体扩散介质层上以使反应气体和副产物气体流过。
出于多种原因的考虑，优选使膜电极组件的催化剂层和离聚物膜 与气体扩散介质(GDM)层结合形成单个部件，所述单个部件已公知为 组合电极组件(UEA)。由于气体扩散介质层被附接到膜电极组件上， 因此必须满足多个标准。第一，附接工艺必须不会改变离聚物膜或催 化剂的性质。这需要对结合温度和压力进行精确控制。
笫二，附接工艺必须不会改变气体扩散介质层的性质。这需要避 免出现例如使气体扩散介质出现凹陷、划痕和撕裂等严重缺陷，以及 对附接工艺参数如施加到气体扩散介质上的压力大小进行精确控制。 第三，必须保持气体扩散介质与每个催化剂层之间的界面不受附接工 艺的影响。
第四，如果使用粘结剂将气体扩散介质附接到膜电极组件上，则 粘结剂必须不会对气体扩散介质的性能产生负面影响。第五，在附接 过程中必须相对于膜电极组件对气体扩散介质进行精确定位。如果附 接工艺仅能够产生边界公差，则组合电极组件将导致整体燃料电池尺 寸的增加。此外，还存在与气体扩散介质布置中的较大公差相关联的 性能和稳定性问题。
存在多种重要的考虑因素涉及到将粘结剂施加到气体扩散介质上 的过程。这些考虑因素之一是需要有利于将粘结剂精确地定位放置在 气体扩散介质上，原因在于这种定位可能会影响燃料电池的性能、尺
寸和耐久性。另一重要考虑因素涉及需要施加具有最小厚度的粘结剂 层，以便避免在膜电极组件的活性区域中产生压缩或在膜电极组件的 活性区域中出现局部应力集中的情况。此外，粘结剂必须与燃料电池 环境相容且必须不给膜电极组件或气体扩散介质带来任何污染物。
因此，需要一种组合电极组件的制造方法，所述制造方法满足了 上述标准且导致产生了特征在于在燃料电池中的耐受性和性能得以增 强的组合电极组件。

发明内容
本发明主要涉及一种组合电极组件(UEA)的新型制造方法以改进 燃料电池中的组合电极组件的耐受性和性能。所述制造方法包括采用 丝网印刷或其它印刷方法将粘结剂精确地施加到气体扩散介质(GDM ) 上、相对于膜电极组件(MEA)对所述气体扩散介质进行精确定位、并 且在不使用过高温度或压力的情况下将所述气体扩散介质轻压到所述 膜电极组件上。


现在将通过实例并结合附图对本发明进行描述，其中 图1是示出了根据本发明的组合电极组件制造方法的典型实施例 进行实施的顺序方法步骤的流程图2A是气体扩散介质(GDM)的侧视图，图中示出了将粘结剂印
刷到气体扩散介质上的过程；
图2B是膜电极组件和气体扩散介质的侧视图，二者都被安装在组 件固定装置(以幻影图的形式示出)中，且图中示出了在将气体扩散
程；和
图2C是在气体扩散介质被压到膜电极组件上之后的组合电极组件 的侧视图。
具体实施例方式
本发明构想了一种新型的组合电极组件(UEA)的制造方法，所述 制造方法导致产生了特征在于在燃料电池中的耐受性和性能得以改进
的组合电极组件。根据本发明的组合电极组件制造方法，采用丝网印
刷或其它印刷方法将粘结剂印刷在气体扩散介质(GDM)上。随后相对 于膜电极组件(MEA)对气体扩散介质进行精确定位，且随后在不使用 过高温度或压力的情况下将所述气体扩散介质轻压到膜电极组件上。 尽管该方法适于进行大量的连续工艺生产，但可以批量工艺的方式实 施组合电极组件制造方法。
组合电极组件制造方法是在净室环境中进行实施的。在整个工艺 过程中必须防止灰尘、污垢、金属挫屑、纤维和类似物接触膜电极组 件或气体扩散介质。在进行组合电极组件的组装之前，必须去除在工 艺过程中存在于膜电极组件或气体扩散介质上的任何碎屑。
参见图1所示的流程图并结合图2A-图2C，如图1中的步骤1所 示，组合电极组件制造方法从将气体扩散介质精确地切割至所需尺寸 而开始。切割步骤将有利于在下文将要进行描述的随后进行的工艺步 骤中将粘结剂精确地定位放置在气体扩散介质上。优选在净室环境外 部实施切割步骤，原因在于切割工艺将来自受到切割的气体扩散介质 的颗粒碎屑引入环境内。经过切割的气体扩散介质通常随后经受流动 空气的作用以从其上面去除外来碎屑。
如图1中的步骤2所示，且如图2A所示，接下来将气体扩散介质 18放置在例如丝网印刷机的固定装置26中。固定装置26将气体扩散 介质18精确地定位放置在印刷机中以将粘结剂19精确地施加到气体 扩散介质18上。接下来，丝网印刷机以精确受控的方式通常沿气体扩 散介质18的边缘将粘结剂薄层19施加到气体扩散介质18上(步骤3 )。 筛网尺寸是用于控制粘结剂19在气体扩散介质18上的厚度和分布的 设计参数。粘结剂19优选被均匀地分布在气体扩散介质18的所需区 域中，而不产生空隙或过大的厚度。粘结剂19的厚度不应超过25pm。
如上所述，可使用丝网印刷机以批量印刷工艺的方式实施粘结剂 施加步骤。然而，应该理解，粘结剂施加步骤不限于丝网印刷或批量 印刷。可使用本领域技术人员已公知的多种技术以精确受控的方式将 粘结剂19施加到气体扩散介质18上，所述多种技术包括，但不限于， 例如连续工艺印刷和贴花转印(decal transfer)工艺。
在将粘结剂19施加到气体扩散介质18上之后，从丝网印刷机的 固定装置26上去除气体扩散介质18并将所述气体扩散介质放置在组
件固定装置20中，如图2B且如图1中的步骤4所示。具有离聚物膜14 的膜电极组件12也被安放在组件固定装置20中，所述离聚物膜的两 侧涂覆有催化剂层16。利用精确的数据将气体扩散介质18定位放置在 真空支承件22上，且将膜电极组件12定位放置在真空支承件24上(图 1中的步骤5)，所述真空支承件24与组件固定装置20的真空支承件 22隔开一定距离。 一旦气体扩散介质18被精确地定位放置在真空支承 件22上且膜电极组件12被精确地定位放置在真空支承件24上，则通 过真空支承件22、 24施加真空压力从而分别保持气体扩散介质18和 膜电极组件12处于适当位置处。在组件固定装置20中，先前在步骤3 中被施加到气体扩散介质18上的粘结剂19面对膜电极组件12上的催 化剂层16，气体扩散介质18将要被附接到所述催化剂层上。
将气体扩散介质18和膜电极组件12精确地定位放置在组件固定 装置20中需要控制净室的温度和湿度。膜电极组件12的尺寸将作为 环境湿度和温度的函数而产生变化。因此，净室环境中过度的湿度或 温度水平将使得不可能在较窄的公差范围内使气体扩散介质18相对于 膜电极组件12对齐。在组合电极组件制造方法的该步骤中，净室环境 所可能允许的温度和湿度范围将取决于所使用的气体扩散介质和膜电 极组件的特定类型。对于组合电极组件制造方法而言最佳的环境湿度 和温度水平为约42±7%的相对湿度和约21±2 :摄氏度的温度。此外，必 须根据气体扩散介质18的性质调节由组件固定装置20施加到气体扩 散介质18上的真空压力的大小，原因在于不同类型的气体扩散介质18 的气体透过率呈现出变化，且因此需要不同大小的真空压力以将它们 保持在适当位置处。
由于膜电极组件12中的离聚物膜14所具有的脆性，因此在将膜 电极组件12定位放置在组件固定装置20中的过程中不应将真空压力 施加到离聚物膜14的活性区域上。另外，离聚物膜14倾向于使催化 剂层16起皱或出现摺痕。因此，有必要基于膜电极组件12的构造对 真空支承件24中的真空开口 (未示出)相对于膜电极组件12的位置 进行调节，以及对由真空支承件24施加在膜电极组件12上的真空压 力的大小进行调节。
在已经在组件固定装置20中使气体扩散介质18与膜电极组件12 精确地对齐之后，通过操作组件固定装置20而将气体扩散介质18压
到膜电极组件12上从而形成组合电极组件10，如图2C且如图1中的 步骤6所示。根据所采用的加工方式，可在连续工艺中实施该步骤或 一部分一部分地实施该步骤。有必要采用三个键控装置适当地实施该 压按附接步骤。首先，对于压按步骤而言，必须对由组件固定装置20 分别施加在气体扩散介质18和膜电极组件12上的一定大小的真空压 力进行适当定时。优选使用自动控制装置而在更大程度上实现对真空 定时和保压时间的工艺控制。对真空定时和保压时间进行自动控制将 确保组合电极组件及其部件在适当的时间从一个工艺步骤被传递至下 一个工艺步骤。如果使用手动控制，可以设想或出现由于人为失误而 导致真空压力过早停止从而可能导致组合电极组件出现气体扩散介质 定位问题的情景。
其次，必须紧密地控制将涂覆有粘结剂的气体扩散介质18压到膜 电极组件12上所使用的压力大小。如果使用过小的压力，则附接结合
膜电:组件io的操控。另一方面:、如果使用过高的压力，则将在气体
扩散介质18中诱发永久的压缩变形。这将损耗组装好的燃料电池中的 气体扩散介质18的功能性容量。用于将涂覆粘结剂的气体扩散介质18 压到膜电极组件12上的目标压力取决于所使用的气体扩散介质的类 型。第三，必须对实施压按附接步骤所处的净室的温度和湿度进行控 制。优选地，净室的相对湿度被保持在约42±7%且温度被保持在约21±2 摄氏度。
在将气体扩散介质18压到膜电极组件12上之后，从组件固定装 置20上除去制造出的组合电极组件10。正如图1的步骤7中所表明地， 组装好的组合电极组件10被置于气密袋(未示出)中以防止受到污染 并且在将组合电极组件10组装在燃料电池内的过程中保持组合电极组 件10的尺寸稳定性。
尽管上面已经对本发明的优选实施例进行了描述，但应该认识并 理解，可对本发明作出多种变型且所附权利要求书旨在覆盖可能落入 本发明的精神和范围内的所有这种变型。
权利要求
1、一种制造用于聚合电解质膜的组合电极组件的方法，所述方法包括提供气体扩散介质和膜电极组件；在所述气体扩散介质上印刷粘结剂；相对于所述膜电极组件对所述气体扩散介质进行定位；并且将所述气体扩散介质和所述粘结剂压靠在所述膜电极组件上。
2、 根据权利要求1所述的方法，其中所述在所述气体扩散介质上 印刷粘结剂的步骤包括丝网印刷工艺。
3、 根据权利要求1所述的方法，其中所述在所述气体扩散介质上 印刷粘结剂的步骤包括批量印刷工艺。
4、 根据权利要求1所述的方法，其中所述在所述气体扩散介质上 印刷粘结剂的步骤包括连续工艺印刷。
5、 根据权利要求1所述的方法，其中所述在所述气体扩散介质上 印刷粘结剂的步骤包括贴花转印工艺。
6、 根据权利要求1所述的方法，其中所述相对于所述膜电极组件 对所述气体扩散介质进行定位的步骤包括提供包括一对真空支承件的 组件固定装置；分别将所述气体扩散介质和所述膜电极组件定位放置 在所述真空支承件上；并且利用真空压力分别将所述气体扩散介质和 所述膜电极组件附接到所述真空支承件上。
7、 根据权利要求1所述的方法，其中所述在所述气体扩散介质上剂。
8、 根据权利要求1所述的方法，其中所述将所述气体扩散介质和 所述粘结剂压靠在所述膜电极组件上的步骤包括在最大压力下将所述 气体扩散介质和所述粘结剂压靠在所述膜电极组件上，所述最大压力 足够低从而防止所选择的气体扩散介质产生永久变形。
9、 一种制造用于聚合电解质膜的组合电极组件的方法，所述方法 包括提供气体扩散介质和膜电极组件；将所述气体扩散介质切割至所需尺寸；在所述气体扩散介质上以受控方式印刷粘结剂； 相对于所述膜电极组件对所述气体扩散介质进行定位；并且 将所述气体扩散介质和所述粘结剂压靠在所述膜电极组件上。
10、 根据权利要求9所述的方法，其中所述在所迷气体扩散介质 上印刷粘结剂的步骤包括丝网印刷工艺。
11、 根据权利要求9所述的方法，其中所述在所述气体扩散介质 上印刷粘结剂的步骤包括批量印刷工艺.
12、 根据权利要求9所述的方法，其中所述在所述气体扩散介质 上印刷粘结剂的步骤包括连续工艺印刷。
13、 根据权利要求9所述的方法，其中所述在所述气体扩散介质 上印刷粘结剂的步骤包括贴花转印工艺。
14、 根据权利要求9所述的方法，其中所述相对于所述膜电极组 件对所述气体扩散介质进行定位的步骤包括提供包括一对真空支承件 的组件固定装置；分别将所述气体扩散介质和所述膜电极组件定位放 置在所述真空支承件上；并且利用真空压力分别将所述气体扩散介质 和所述膜电极组件附接到所述真空支承件上。
15、 根据权利要求9所述的方法，其中所述在所述气体扩散介质 上印刷粘结剂的步骤包括沿所述气体扩散介质的边缘部分印刷所述粘 结剂。
16、 根据权利要求9所述的方法，其中所述将所述气体扩散介质 和所述粘结剂压靠在所述膜电极组件上的步骤包括在最大压力下将所 述气体扩散介质和所述粘结剂压靠在所述膜电极组件上，所述最大压 力足够低从而防止所选择的气体扩散介质产生永久变形。
17、 一种制造用于聚合电解质膜的组合电极组件的方法，所述方 法包括提供气体扩散介质和膜电极组件； 将所述气体扩散介质切割至所需尺寸；在所述气体扩散介质上以受控方式印刷粘结剂，使所述粘结剂达 到足够厚以防止出现孔隙但仍小于"(am厚的厚度；相对于所述膜电极组件对所述气体扩散介质进行定位；并且 将所述气体扩散介质和所述粘结剂压靠在所述膜电极组件上。
18、 根据权利要求17所述的方法，其中在约19摄氏度至约23摄 氏度的温度和约37%至约50%的相对湿度下实施所述工艺。
19、 根据权利要求17所述的方法，其中所述相对于所述膜电极组 件对所述气体扩散介质进行定位的步骤包括提供包括一对真空支承件 的组件固定装置；分别将所述气体扩散介质和所述膜电极组件定位放 置在所述真空支承件上；并且利用真空压力分别将所述气体扩散介质 和所述膜电极组件附接到所述真空支承件上。
20、 根据权利要求17所述的方法，其中所述将所述气体扩散介质 和所述粘结剂压靠在所述膜电极组件上的步骤包括在最大压力下将所 述气体扩散介质和所述粘结剂压靠在所述膜电极组件上，所述最大压 力足够低从而防止所选择的气体扩散介质产生永久变形。
21、 根据权利要求17所述的方法，其中所述在所述气体扩散介质 上印刷粘结剂的步骤包括沿所述气体扩散介质的边缘部分印刷所述粘 结剂.
22、 根据权利要求17所述的方法，其中所述在所述气体扩散介质 上印刷粘结剂的步骤是丝网印刷工艺或贴花转印工艺。
23、 根据权利要求22所述的方法，其中所述在所述气体扩散介质 上印刷粘结剂的步骤是批量印刷工艺或连续工艺印刷。
全文摘要
披露了一种制造用于聚合电解质膜的组合电极组件的方法。所述方法包括提供气体扩散介质和膜电极组件、在所述气体扩散介质上印刷粘结剂、相对于所述膜电极组件对所述气体扩散介质进行定位并且将所述气体扩散介质和所述粘结剂压靠在所述膜电极组件上。
文档编号B05D5/12GK101103476SQ200580041744
公开日2008年1月9日 申请日期2005年8月11日 优先权日2004年10月7日
发明者B·拉克什马南, J·P·赫利, R·L·詹姆斯, S·D·瓦伦丁 申请人:通用汽车公司